本文關(guān)鍵詞：采用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的非線性寬頻振動能量采集器

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【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其隱蔽性高、功率低、體積小等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于生活的各個領(lǐng)域。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大多采用電池供電,但電池所攜帶的能量有限,不能滿足長期工作的需要。自然環(huán)境中,振動無處不在,將振動產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能,實(shí)現(xiàn)傳感器的自供電,可滿足其長期工作的需要。環(huán)境中的振動頻率常分布在一個較寬的頻帶內(nèi),若振動能量采集器具有寬頻振動能量采集特性,就可充分采集環(huán)境中的振動能量。大多數(shù)采集器利用非線性法實(shí)現(xiàn)寬頻能量采集,且多采用懸臂梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能量采集,這種采集器雖然具有寬頻特性,但大振幅的振動容易造成懸臂梁斷裂。另外采集器的輸出功率和頻率成正比,頻率越高,輸出功率越高,若將升頻特性與寬頻特性相結(jié)合,能使寬頻振動能量采集器輸出更高的功率。目前,將寬頻和升頻相結(jié)合的非線性振動能量采集器研究很少。本文以復(fù)合磁電換能器為基礎(chǔ),提出了一種新型的基于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的非線性寬頻振動能量采集器,該采集器既能克服懸臂梁結(jié)構(gòu)式采集器在大振幅的振動下梁容易斷裂的缺點(diǎn),同時又具有寬頻、倍頻等特性,并且能輸出高的功率。因此,本文的具體工作和主要研究內(nèi)容如下:(1)介紹目前國內(nèi)外非線性寬頻振動能量采集器的研究現(xiàn)狀,總結(jié)非線性寬頻振動能量采集器存在的不足。結(jié)合磁致伸縮/壓電層合換能器的輸出特性和工作模式等,探討影響磁致伸縮/壓電層合材料輸出功率的主要因素。(2)建立旋轉(zhuǎn)式能量采集器的抽象振動模型,利用林斯泰特-龐加萊法研究能量采集器的非線性振動特性,結(jié)合磁電換能器的磁電特性分析采集器的機(jī)-磁-電轉(zhuǎn)換特性以及頻率響應(yīng)特性。該模型可作為旋轉(zhuǎn)式振動能量采集器分析和設(shè)計的基礎(chǔ)。(3)采用磁電換能器設(shè)計一種在低頻振動下輸出高功率的旋轉(zhuǎn)式非線性振動能量采集器,利用Maxwell軟件仿真分析采集器結(jié)構(gòu)中磁路空氣隙中的磁場強(qiáng)度以及磁力矩隨擺動角度變化的規(guī)律。針對PZT-5H磁電換能器和PMNT-PT磁電換能器的兩種采集器進(jìn)行研究和討論。研究發(fā)現(xiàn):1)采用PZT-5H磁電換能器的采集器時,0.3g(g=9.8m/s2)加速度下最大峰峰電壓值可達(dá)92.0V,電壓超過20V的頻率帶寬可達(dá)8Hz,輸出功率可達(dá)117μW;2)采用PMNT-PT磁電換能器的采集器時,0.3g(g=9.8m/s2)加速度下最大峰峰電壓值可達(dá)188.0V,電壓超過20V的頻率帶寬可達(dá)6Hz,輸出功率可達(dá)689.7μW;0.5g(g=9.8m/s2)加速度下最大峰峰電壓值可達(dá)246.0V,電壓超過20V的頻率帶寬可達(dá)9.4Hz,輸出功率可達(dá)970.23μW。
【學(xué)位授予單位】：西華師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM619

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本文編號：1229606